用于藍牙室內(nèi)定位的生長式分形天線

* 福建省自然科學(xué)基金項目：基于無人機的三維室內(nèi)地圖構(gòu)建方法研究，項目編號：2020J01039；

* 漳州市科技計劃項目：基于云計算的無人機3D室內(nèi)地圖構(gòu)建技術(shù)研究，項目編號：ZZ2020J04；

* 福建省高校杰出青年科研人才培育計劃項目：閩教科[2017]52號。

室內(nèi)定位系統(tǒng)是一種短距離、高精度定位系統(tǒng)，是伴隨著無人機技術(shù)、智能汽車技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的全新的定位系統(tǒng)。室內(nèi)定位系統(tǒng)使用多組信標，依靠室內(nèi)無線通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和同步，廣泛應(yīng)用于無人機室內(nèi)飛行精確定位、智能車室內(nèi)行駛精確定位、室內(nèi)人員和物體的實時追蹤定位、工業(yè)4.0 智慧工廠、無人值守展覽與售貨系統(tǒng)、現(xiàn)代倉儲物流、重要人員與設(shè)備管控、樓宇內(nèi)智能導(dǎo)航、醫(yī)院智能導(dǎo)醫(yī)等領(lǐng)域^[1-5]。

藍牙室內(nèi)定位系統(tǒng)是目前最成熟的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其成本低、功耗小、易于部署，定位精度可以接近分米數(shù)量級，特別適合于體積受到嚴格限制、使用小容量電池且需要長時間不間斷工作的室內(nèi)定位系統(tǒng)。藍牙通信頻段為（2.400~2.4835）GHz，藍牙室內(nèi)定位系統(tǒng)天線需要覆蓋上述頻段并兼具較高的輻射強度和優(yōu)異的全向輻射特性^[6-11]。

1   生長式分形結(jié)構(gòu)簡介

分形結(jié)構(gòu)的自相似性使其內(nèi)部射頻電流分布非常均勻，具有優(yōu)異的寬頻帶工作能力，在室內(nèi)定位天線設(shè)計領(lǐng)域得到了較多的應(yīng)用。但傳統(tǒng)的分形天線存在著輻射邊距離較近，不同輻射邊產(chǎn)生的輻射互相耦合，難以保證不同輻射邊產(chǎn)生的輻射同相疊加的問題。

為了解決上述問題，我們創(chuàng)造性的對傳統(tǒng)分形的迭代過程進行改進，設(shè)計了生長式分形結(jié)構(gòu)，它的原型為多邊形雪花結(jié)構(gòu)，以正方形結(jié)構(gòu)為例，生長式分形結(jié)構(gòu)的迭代過程如圖1 所示。

原始結(jié)構(gòu)是一個正方形，初次迭代時從正方形中心挖出一個各邊尺寸為正方形一半的小正方形孔，并在正方形各邊上都連接一個和小正方形孔尺寸一致的小正方形。初次迭代的結(jié)果是小正方形從原始正方形中心生長到原始正方形的四邊。二次迭代時，每個小正方形中心挖出一個各邊尺寸為小正方形一半的微正方形孔，并在小正方形外側(cè)三條邊上都連接一個和微正方形孔尺寸一致的微正方形。多次迭代后，可以得到高階正方形生長式分形結(jié)構(gòu)。

生長式分形結(jié)構(gòu)用于天線設(shè)計時，每一次分裂生長時新增的方形輻射貼片在上一級輻射貼片外，各級輻射貼片相互耦合、相互影響的程度較小。經(jīng)過調(diào)試可以實現(xiàn)多個不同輻射貼片的工作頻段同相疊加，使得生長式分形天線具有較強的輻射性能和較大的工作帶寬。

圖2 天線輻射貼片結(jié)構(gòu)示意圖

2   天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

天線整體尺寸為48 mm×54 mm×1 mm，使用FR4基板作為介質(zhì)基板，其相對介電常數(shù)為4.5。

天線輻射貼片的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。天線輻射貼片的初始元為六邊形（0 階六邊形），第一次迭代時在其中間挖出一個各邊邊長為0 階六邊形一半的六邊形孔，并在0 階六邊形的六條邊上連接上六個各邊邊長為0 階六邊形一半的六邊形（1 階六邊形）。第二次迭代時，每個1 階六邊形中分裂生長出三個各邊邊長為其一半的2階六邊形。

天線接地板為全金屬接地結(jié)構(gòu)。

圖3 天線樣品照片

3   天線輻射性能測試

我們制作了天線樣品，照片如圖3 所示；對天線樣品的工作性能進行了實測，結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

實測結(jié)果表明，天線的工作頻段為（2.0~3.6）GHz，工作帶寬為1.6 GHz，天線的回波損耗值最小值為-25 dB；天線的H 面方向圖和E 面方向圖都具有全向輻射特性。

實測結(jié)果顯示，該天線能夠完全覆蓋藍牙工作頻段并兼具較高的輻射強度、較大的工作帶寬和優(yōu)異的全向輻射能力。

圖5 天線方向圖實測結(jié)果

4   結(jié)論

本文創(chuàng)造性的對傳統(tǒng)分形的迭代過程進行了改進，設(shè)計了全新的生長式分形結(jié)構(gòu)，并針對藍牙室內(nèi)定位系統(tǒng)對天線的性能要求，使用六邊形結(jié)構(gòu)作為初始元進行2次生長分形迭代，設(shè)計了一款用于藍牙室內(nèi)定位的生長式分形天線。我們制作出天線樣品，進行了實際測試。實測表明，本款天線能夠完全覆蓋藍牙工作頻段，有較大性能冗余，全向輻射性能優(yōu)異，有望作為藍牙定位信標天線在高精度室內(nèi)定位領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年5月期）